换热器设计技术解答

换热器设计技术解答

一、换热器设计基本概念

主要包括传热方程式及换热器设计、对数平均温差、换热器中两流体沿程温度变化曲线、强化传热及热阻分析、传热系数实验测定方法等等。

1、对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？

(1)清洁与不清洁的；(2)腐蚀性大与小的；(3)温度高与低的；(4)压力大与小的；(5)流量大与小的；(6)粘度大与小的。

答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；(4)压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损；(5)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加；(6)粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。

2、为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著c试分析原因。

答：冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。

3、有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。

答：该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

4、为了简化工程计算，将实际的复合换热突出一个主要矛盾来反映，将其次要因素加以适当考虑或忽略掉，试简述多孔建筑材料导热、房屋外墙内表面的总换热系数、锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热等三种具体情况的主次矛盾。

答：⑴通过多孔建筑物材料的导热,孔隙内虽有对流和辐射,但导热是主要的,所以热量传递按导热过程进行计算,孔隙中的对流和辐射的因素在导热系数中加以考虑。⑵房屋外墙内表面的总换热系数是考虑了对流和辐射两因素的复合,两者所起作用相当,因对流换热计算简便,将辐射的因素折算在对流换热系数中较方便些。⑶锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热,由于火焰温度高达1000℃以上,辐射换热量很大,而炉膛烟气流速很小,对流换热相对较小,所以一般忽略对流换热部分,而把火焰与水冷壁之间的换热按辐射换热计算。

5、肋片间距的大小对肋壁的换热有何影响?

答：当肋片间距减小时，肋片的数量增多，肋壁的表面积相应地增大,故肋化系数β值增大,这对减小热阻有利;此外适当减小肋片间距可以增强肋片间流体的扰动,使换热系数h相应提高。但是减小肋片的间距是有限的,一般肋片的间距不小于边界层厚度的两倍,以免肋片间流体的温度升高,降低了传热的温差。

6、如何考虑肋片高度l对肋壁传热的影响?

答：肋高l的影响必须同时考虑它对肋片效率ηf和肋化系数β两因素的作用。l增大将使ηf降低,但却能使肋面积A2增大,从而使β增大。因此在其他条件不变的情况下,如能针对具体传热情况,综合考虑上述两项因素,合理地选取l,使1/(hηfβ)项达一最低值,从而获得最有利的传热系数KА值,以达到增强传热的目的。

7、试述平均温差法(LMTD法)和效能─传热单元数法(ε-NTU法)在换热器传热计算中各自的特点?

答：LMTD法和ε-NTU法都可用于换热器的设计计算和校核计算。这两种方法的设计计算繁简程度差不多。但采用LMTD法可以从求出的温差修正系数φΔt的大小看出所选用的流动形式接近逆流程度,有助于流动形式的选择,这是ε-NTU法所做不到的。对于校核计算,两法都要试算传热系数,但是由于LMTD法需反复进行对数计算故较ε-NTU法稍嫌麻烦些,校核计算时如果传热系数已知,则ε-NTU法可直接求得结果,要比LMTD法简便得多。

8、热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大?为什么?

答：采用水冷时，管道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，因而水垢的产生在总热阻中所占的比例较大。而空气冷却时，气侧热组较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。

二、定量计算

主要包括：复合换热及传热过程、热阻分析、换热器设计计算、换热器校核计算。

1、外径为200mm采暖热水输送保温管道，水平架空铺设于空气温度为-5℃的室外，周围墙壁表面平均温度近似为0℃，管道采用岩棉保温瓦保温，其导热系数为λ（W/m℃）＝0.027+0.00017t（℃）。管内热水平均温度为100℃，由接触式温度计测得保温层外表面平均温度为45℃，表面发射率为0.9，若忽略管壁的导热热阻，试确定管道散热损失、保温层外表面复合换热系数及保温层的厚度。

解：管道散热损失包括自然对流散热损失和辐射散热损失两部分。

确定自然对流散热损失：

定性温度℃

则

确定辐射散热损失：

属空腔（A2）与内包壁（A1）之间的辐射换热问题，且。

单位管长管道散热损失

确定保温层外表面复合换热系数：

确定保温层的厚度：

由傅立叶定律积分方法获得。

，分离变量得：，即：

得管道外径

保温层的厚度为

2、一所平顶屋，屋面材料厚δ＝0.2m，导热系数λw=0.6W/(m·K)，屋面两侧的材料发射率ε均为0.9。冬初，室内温度维持tf1＝18℃，室内四周墙壁亦为18℃，且它的面积远大于顶棚面积。天空有效辐射温度为-60℃。室内顶棚表面对流表面传热系数h1＝0.529W/(m2·K)，屋顶对流表面传热系数h2=21.1W/(m2·K)，问当室外气温降到多少度时，屋面即开始结霜(tw2＝0℃)，此时室内顶棚温度为多少?此题是否可算出复合换热表面传热系数及其传热系数?

解：⑴求室内顶棚温度tw1

稳态时由热平衡，应有如下关系式成立：

室内复合换热量Φ’=导热量Φ=室内复合换热量Φ”

；

因Φ’=Φ，且结霜时℃，可得：

，即

解得：℃。

⑵求室外气温tf2

因Φ”=Φ，可得：

，即：

℃

⑶注意到传热方向，可以求出复合换热系数hf1、hf2

依据，得

依据，得

⑷求传热系数K

3、一蒸汽冷凝器，内侧为ts=110℃的干饱和蒸汽，汽化潜热r=2230，外侧为冷却水，进出口水温分别为30℃和80℃，已知内外侧换热系数分别为104，及3000，该冷凝器面积A=2m2，现为了强化传热在外侧加肋，肋壁面积为原面积的4倍，肋壁总效率η=0.9，若忽略冷凝器本身导热热阻，求单位时间冷凝蒸汽量。

解：对数平均温差：℃，℃

℃

传热系数

单位时间冷凝蒸汽量：

4、一台逆流套管式换热器在下列条件下运行，传热系数保持不变，冷流体质流量0.125kg/s，定压比热为4200J/kg℃，入口温度40℃，出口温度95℃。热流体质流量0.125kg/s，定压比热为2100J/kg℃，入口温度210℃， (1)该换热器最大可能的传热量及效能分别是多少？(2)若冷、热流体侧的对流换热系数及污垢热阻分别为2000W/m2℃、0.0004m2℃/W、120W/m2℃、0.0001m2℃/W，且可忽略管壁的导热热阻，试利用对数平均温差法确定该套管式换热器的换热面积。

解：（1）确定换热器最大可能的传热量：

确定换热器的效能：

根据热平衡方程式确定热流体出口温度，即：

℃

确定换热器的面积：

对数平均温差：℃，℃

℃

5、用进口温度为12℃、质量流量为18×103kg/h的水冷却从分馏器中得到的80℃的饱和苯蒸气。使用顺流换热器，冷凝段和过冷段的传热系数均为980W／(m2·K)。己知苯的汽化潜热为395×103J/kg，比热容为1758J/(kg·K)。试确定将质量流星为3600kg/h的苯蒸气凝结并过冷到40℃所需的换热面积。

解：本题属换热器设计计算问题，因为苯蒸气侧既有有相变的换热，又有单相流动，故需对冷凝段和过冷段分段计算。

先计算总传热量：

冷凝段：

过冷段：

由冷凝段热平衡，有：，其中取水的比定压热容：

所以：

冷凝段对数平均温差：

冷凝段换热面积：

由过冷段热平衡：

得：

故过冷段换热面积：

该顺流换热器总换热面积为：

注：(1)读者可以计算当按逆流布置时的换热面积，并将计算结果与顺流相比较；

(2)题中取水的比定压热容为cp2＝4183J／(kg·K)，严格地讲，在t2m及t2未知时，cP2未知，因此应该采用迭代方法。考虑到水在12℃～34.3℃之间变化时，比定压热容cP2的变化很小，因而可近似取

cP2＝4183J／(kg·K)。

6、压力为0.14xl05Pa的水蒸气在壳管式换热器的壳侧凝结，且表面传热系数为13500W/(m2·K)。该换热器有单壳程和双管程，每个管程由130根长为2m的黄铜管组成，管子的内、外径分别为13.4mm和15.9mm。冷却水进入管道时的温度为20℃且平均流速为l.25m/s。试计算：⑴该换热器的传热系数；⑵冷却水的出口温度；⑶蒸汽的凝结率。

解：本题属换热器的校核计算问题，因水的出口温度未知．因而采用－NTU法较方便。

因为在该法中水的出口温度仅影响到传热系数k中的物性参数。水蒸气物性参数：

假定水的出口温度为，则，对应水的物性参数：

黄铜导热系数

1)先求管内流体表面传热系数h1：

故总传热系数：

(2)水侧质量流量：

因壳侧为水蒸气凝结，故

管外换热面积

所以：

而。由教材图9－24，＝0.63。

而（因）

出口水温

(3)先求换热量，由

得

所以蒸汽凝结率为：

注意：

①题中管内，故不必进行管长修正。

②由牛顿冷却公式，得管内流体与壁温之差：

故亦可不考虑温差的修正。

③本题用于计算水的物性时所假定的t2//＝44℃是合理的。且由于t2//只影响到物性参数．故不必进行迭代计算。

7、设计一台给水加热器，将水从15℃加热到80℃，水在管内受迫流动，质量流量为2kg/s，比热为4.1868kJ/kg℃。管内径为0.0116m，外径0.019m，用110℃的饱和蒸汽加热，在加热器为饱和液体。已知管内外的对流传热系数分别为4306 W/ m2℃和7153W/ m2℃；汽化潜热r = 2229.9kJ/kg；且忽略管壁的导热热阻，试利用ε-NTU法确定所需传热面积。该换热器运行一段时间后，在冷热流体流量及进口温度不变的条件下，只能将水加热到60℃，试采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。提示：一侧流体有相变时，ε=1-e-NTU。

解：利用ε-NTU法确定所需传热面积。

换热器效能为：

传热单元数为：

传热系数为：

需说明因为管内径为0.0116m，外径0.019m，即管壁较薄，可视为平壁的传热过程。

由，得：

换热器面积为：

采用对数平均温差法确定运行中产生的污垢热阻。

对数平均温差：℃，℃

℃

运行中产生的污垢热阻为：

三、本章提要

以下摘自赵镇南著，高等教育出版社，出版日期：2002年7月第1版《传热学》

1．热交换器的总传热系数与传热方程：。

能量守恒方程(不计散热损失)：

该式与一般传热方程的区别在于传热温差是沿程变化的。

2．对数平均温差是在若干简化假设条件下得出的换热器沿程传热温差的积分平均值。对各种不同流动布置形式的换热器有，ε△t称为温差修正系数。

3．换热器的热计算分为设计与校核两种类型，有平均温差法和效能-传热单元数法两种计算方法。就设计类型而，两种方法的基本步骤大致相同，除非总传热系数K事前已经给定，否则均无法避免迭代计算。对校核计算来说，虽仍然需要迭代，但是情况有所不同。平均温差法迭代时直接涉及到平均传热温差数值的改变，迭代次数稍多。而效能—传热单元数法迭代时仅涉及物性的变化，一般迭代次数较少。

4．绝大多数换热器都存在结垢问题。垢阻导致传热性能大幅度下降。在设计换热器时，为了保证在正常的运行期以内部能够达到额定出力，必须给换热器留有—定数量的富裕面积，称为冗余面积。这种多出来的面积无疑使换热器的制造成本上升，经济性下降。